植物，面對在幾個小時到幾個月的時間尺度上波動的溫度，需不斷加以解釋以使它們的生長發(fā)育與季節(jié)相適應(yīng)。
人們對植物如何對溫度做出反應(yīng)有很多了解，但是讓植物測量溫度信號的機(jī)制還不太清楚。
在這項(xiàng)發(fā)表在《Nature》雜志上的研究中，分別來自約翰因斯中心Dame Caroline Dean教授和Martin Howard教授小組的研究人員Yusheng Zhao和Rea Antoniou Kouronioti解釋了緩慢生長被用作感知溫度長期變化的信號。
“我們發(fā)現(xiàn)了一種新的溫度傳感機(jī)制，它能長期記憶寒冷，整合過多波動的溫度來測量寒冷的持續(xù)時間。這是一種新型的溫度傳感物理機(jī)制，可以指導(dǎo)該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究。”
通過一個前瞻性的基因篩查，他們發(fā)現(xiàn)了一種功能失調(diào)的反應(yīng)：在溫暖的溫度下表達(dá)很高水平的VIN3
蛋白質(zhì)。之前大家了解到，這種蛋白質(zhì)在寒冷時期被上調(diào)，并與允許植物記憶寒冷的表觀遺傳分子記憶系統(tǒng)相互作用。
趙博士發(fā)現(xiàn)，這些植物中有兩種突變的NTL8轉(zhuǎn)錄因子，即使沒有寒冷也能激活VIN3。
為了了解NTL8的作用，他們用熒光蛋白（GFP）標(biāo)記了NTL8，并在生物成像平臺的幫助下，研究了這種蛋白與VIN3相比的存在位置。結(jié)果表明，突變蛋白在植物體內(nèi)隨處可見，野生型蛋白主要分布于根尖。它還表明，在寒冷的環(huán)境中，它會隨著時間的推移而慢慢積累。
利用理論方法進(jìn)一步探索這個問題，研究小組推斷，了解NTL8蛋白質(zhì)降解的速度可以幫助我們深入了解NTL8和VIN3的慢動力學(xué)是如何運(yùn)作的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)NTL8蛋白是持久的，正如理論預(yù)測的那樣。
數(shù)學(xué)模型表明，影響NTL8蛋白含量的主要因素是生長依賴性稀釋。如果天氣變暖和，植物生長得更快，并且隨著
細(xì)胞的繁殖，NTL8的數(shù)量也會稀釋。相比之下，在較低的溫度下，植物生長較慢，NTL8濃度更高，能夠隨著時間積累。這個數(shù)學(xué)模型可以重現(xiàn)在冷暖條件下觀察到的NTL8蛋白水平。
為了進(jìn)一步測試這個模型，他們添加了化學(xué)物質(zhì)和激素來改變植物的生長，看看這是否改變了模型預(yù)測的NTL8的水平。他們在根部添加了植物生長激素赤霉素（Gibberellin），這能使植物生長更快，而NTL8的含量也比預(yù)期的低。當(dāng)他們添加生長抑制劑時，整個植株的NTL8蛋白水平更高。研究小組在樹根上做了類似的實(shí)驗(yàn)，這些預(yù)測也得到了證實(shí)。
聯(lián)合作者Rea Antoniou-Kourounioti補(bǔ)充道：“我們對我們發(fā)現(xiàn)的新溫度機(jī)制的簡單到驚訝，它從一個過程（生長）中回收溫度信息，為另一個過程（春化——寒冷加速開花）創(chuàng)造一個全新的溫度傳感機(jī)制。我們只需改變暖態(tài)和冷態(tài)的生長速率，就可以用我們的模型重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)觀測中的大部分與溫度有關(guān)的變化。”
Martin Howard教授說：“這項(xiàng)研究徹底改變了我們對植物如何感知溫度的理解，尤其是如何整合長期環(huán)境波動的情況。”。
“這項(xiàng)研究表明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)方法與計算模型相結(jié)合時，會產(chǎn)生奇妙的協(xié)同效應(yīng)，”Caroline Dean說。“我們不可能通過單獨(dú)做這兩件事來搞清楚這一機(jī)制。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將有助于了解植物和其他生物如何感知長期波動的環(huán)境信號，并可應(yīng)用于作物。
原創(chuàng)作者：上海遠(yuǎn)慕生物科技有限公司
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